GIS原理复习资料01

第一章 第一章 GIS 是在计算机软硬件支持下 以采集 存储 管理 检索 分析 和描述空间物体的定位分布及与之相关的属性数据 并回答用户问 题为主要任务的计算机系统 GIS 的组成的组成 用户用户 GIS 服务的对象 分为一般用户和从事建立 维护 管理和更新的高级用户 软件软件 支持数据采集 存储 加工 回答用户问题的计算机程序系统 硬件硬件 各种设备 物质基础 数数 据据 系统分析与处理的对象 构成系统的应用基础 硬件配置硬件配置 输入 数字化 解析测图仪 扫描仪 遥感处理设备 等 存贮处理 计算机 硬盘 光盘 等存储设备 输出 打印机 绘图仪 显示终端 等 网络 服务器 网络适配器 传输介质 调制解调器等 网络设备 功能 硬件配置 软件配置软件配置 GIS 用户界面 GIS 数据库 操作系统 GIS 硬件 GIS 专业平台软件 GIS 用软件 系统的基本功能 系统的基本功能 数据采集 管理 分析和表达 所以每个 GIS 系 统都是由若干具有一定功能的模块组成 第二章 第二章 1 地理空间的数学基础 地理空间的数学基础 主要包括地球空间参考 解决地球的空间 定位与数学描述问题 空间数据投影及坐标转换 解决如何把地球曲面信息展布到二维 平面 空间尺度 规定在多大的详尽程度研究空间信息 及地理格网 建立组织空间信息空间区域框架方法 地图投影概念地图投影概念 将地球椭球面上的点映射到平面上的方法 称为地 图投影 地图投影的实质 地图投影的实质 建立地球椭球面上经纬线网和平面上相应经纬线 网的数学基础 也就是建立地球椭球面上的点的地理坐标 与平面上对应点的平面坐标 x y 之间的函数关系 x f1 y f2 当给定不同的具体条件时 将得到不同类型的投影方式 2 空间数据 空间数据 内容 内容 位置 形状 尺寸 识别码 名称 实体 的角色 功能 行为 实体的衍生信息时间测量方法 编码方法 空间参考系等 基本特征 基本特征 空间特征 地理位置和空间关系 属性特征 名称 等级 类别等 时间特征 数据类型 数据类型 几何数 据 空间数据 图形数据 关系数据 实体间的邻接 关联包含 等相互关系 属性数据 各种属性特征和时间元数据 数据结构 数据结构 矢量 栅格 TIN 专用于地表或特殊造型 RDBMS 属性表 采用 MIS 较成熟 依据数据来源的不同分为 依据数据来源的不同分为 地图数据 地形数据 属性数据 元 数据 影象数据 3 实体的空间特征 实体的空间特征 空间维数 空间维数 有 0 1 2 3 维之分 点 线 面 体 空间特征类型空间特征类型 点状实体 线状实体 面状实体 体 状实体 点状实体点状实体 有特定位置 维数为 0 的物体 用来代表一个实体 线状实体 线状实体 具有相同属性的点的轨迹 线或折线 由一系列的有 序坐标表示 特性 实体长度 从起点到终点的总长 弯曲度 用于表示像道路拐弯时弯曲的程度 方向性 水流方向 上游 下游 公路 单 双向之分 面状实体面状实体 是对湖泊 岛屿 地块等一类现象的描述 在数据库中 由一封闭曲线加内点来表示 面状实体的如下特征 1 面积范围 2 周长 3 独立性或与其它地物相邻 如中国及其周边国家 4 内岛屿或锯齿状外形 如岛屿的海岸线封闭所围成的区域 5 重叠性与非重叠性 如学校的分区 菜市场的服务范围等都有可能出现交叉重叠现象 而一个城市的各个城区一般说来不会出现重叠 体 立体状实体 体 立体状实体 立体状实体用于描述三维空间中的现象与物体 它具有长度 宽度及高度等属性 立体状实体一般具有以下一些空 间特征 体积 如工程开控和填充的土方量 每个二维平面的面积 周长 内岛 含有弧立块或相邻块 断面图与剖面图 4 实体间空间关系 实体间空间关系 拓扑空间关系 顺序空间关系 度量空间关 系 5 拓扑关系的种类 拓扑关系的种类 关联性 邻接性 连通性 方向性 包含性 层次关系 6 主要的拓扑关系 主要的拓扑关系 拓扑邻接 拓扑关联 拓扑包含 7 矢量数据的获取方式 矢量数据的获取方式 由外业测量获得 由栅格数据转换获得 跟踪数字化 8 栅格数据结构 栅格数据结构 又称为网格结构 它是将地表划分成为紧密相 邻的网格阵列 每个网格的位置由行列号定义 它包含一个代码 以表示该网格的属性或指向属性记录的指针 点 由单个栅格表达 线 由沿线走向有相同属性取值的一组相邻栅格表达 面 由沿线走向有相同属性取值的一片栅格表达 栅格结构的建立 栅格结构的建立 手工获取 扫描仪扫描 由矢量数据转换而来 遥感影像数据 格网 DEM 数据 栅格数据结构的组织方法栅格数据结构的组织方法 方法 a 以象元为记录序列 不同层上 同一象元位置上的各属性值表示为一个列数组 方法 b 每层每个 象元的位置 属性一一记录 结构最简单 但浪费存储 方法 c 以层为基础 每层内以多边形为序记录多边形的属性值和多边形内 各象元的坐标 栅格数据编码方法栅格数据编码方法 直接栅格编码 行程编码 变长编码 块码 游程编码向二维扩展 链式编码 四叉树编码 栅格数据结构栅格数据结构 十进制的十进制的 Morton 码码 MD A 0 A 1 A 4 A 5 A 2 B 3 B 6 B 7 A 8 A 9 B 12 B 13 A 10 A 11 B 14 B 15 1 一种按位操作的方法 如行为 2 列为 3 的栅格的 MD 步骤 1 行 列号为二进制 Ib 1 0 Jb 1 1 2 I 行 J 列交叉 1 1 0 1 13 3 再化为十进制 实质上是按左上 右上 左下 右下的顺序 从零开始对每个栅格 进行自然编码 起始行列号从 0 计 把一幅 2n 2n 的图像压缩成线性四叉树的过程 A 0 A 1 A 4 A 5 A 2 B 3 B 6 B 7 A 8 A 9 B 12 B 13 A 10 A 11 B 14 B 15 1 按 Morton 码把图象读入一维数组 2 相邻的四个象元比较 一致的合并 只记录第一个象元的 Morton 码 循环比较所形成的大块 相同的再合并 直到不能合并 为止 3 进一步用游程长度编码压缩 压缩时只记录第一个象元的 Morton 码 右图的压缩处理过程为 1 按 Morton 码读入一维数组 Morton 码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 象 元 值 A A A B A A B B A A A A B B B B 2 四相邻象元合并 只记录第一个象元的 Morton 码 0 1 2 3 4 5 6 7 8 12 A A A B A A B B A B 3 由于不能进一步合并 则用游程长度编码压缩 0 3 4 6 8 12 A B A B A B 9 矢 栅优缺点 矢 栅优缺点 优点优点 缺点缺点 矢量矢量1 便于面向现象 土壤类 土地利用单元等 2 结构紧凑 冗余度低 便 于描述线或边界 3 利于网络 检索分析 提 供有效的拓扑编码 对需要 拓扑信息的操作更有效 4 图形显示质量好 精度 高 1 数据结构复杂 各自 定义 不便于数据标准化和规 范化 数据交换困难 2 多边形叠置分析困难 没有栅格有效 表达空间变化 性能力差 3 不能像数字图像那样 做增强处理 4 软硬件技 术要求高 显示与绘图成本较 高 栅栅 格格 1 结构简单 易数据 交换 2 叠置分析和地理 能 有效表达空可 变性 现象 模拟较易 3 利于与感遥数据的匹 配应用和分析 便于图像处 理 4 输出快速 成本低 廉 1 现象识别效果不如矢 量方法 难以表达拓扑 2 图形数据量大 数据 结构不严密不紧凑 需用压缩 技术解决该问题 3 投影转换困难 4 图形质量转低 图形 输出不美观 线条有锯齿 需 用增加栅格数量来克服 但会 增加数据文件 矢量数据结构矢量数据结构 点 XY 单点 线 X1Y1 X1Y2 X3Y3 XnYn 闭合串 面 X1Y1 X1Y2 X3Y3 XnYn 闭合环 X1Y1 X1Y2 X3Y3 XnYn 闭合环 矢量数据的获取方式 矢量数据的获取方式 由外业测量获得 由栅格数据转换获得 跟踪数字化 矢量数据的组织 点 坐标对 x y 线 坐标对系列 x1 y1 xn yn 面 首尾相同 的坐标串 矢量数据组织矢量数据组织 几何位置坐标文件关 系 表 连 接 点 坐标对 x y 线 坐标对系列 x1 y1 xn yn 面 首尾相同的坐标串 识别符 及有关属性 其它属性 矢量数据编码方式矢量数据编码方式 实体式实体式 spaghetti 面条模型 以实体为单位记录其坐标 1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 12 13 14 15 P P P P P P 多边形坐标串 P1 P2 索引式 树状 索引式 树状 对所有点的坐标按顺序建坐标文件 再建点与边 线 线与多边形的索引文件 点线面图如上点线面图如上 点文件 点文件 线文件 线文件 面文件 面文件 面号面号弧段号弧段号 P1A B C 点号点号坐标坐标 1x1 y1 弧段号弧段号起点起点终点终点点号点号 A527 8 9 10 双重独立式编码 双重独立式编码 是一种拓扑编码结构 点文件 点文件 点号点号坐标坐标 1x1 y1 线文件 线文件 线文件是以线段为记录单位 线号线号左多边形左多边形 右多边形右多边形 起点起点终点终点 L210P1P2210 面文件 面文件 面号面号线号线号 P1L210 L109 在在 DIME 中做如下改进 中做如下改进 将以线段为记录单位改为以弧段为单位 链状双重独立式码 链状双重独立式编码链状双重独立式编码 拓扑数据结构拓扑数据结构 弧段坐标文件 弧段坐标文件 弧段号弧段号坐标系列 串坐标系列 串 Ax2 y2 X10 y10 弧段文件 链弧段文件 链 面 链面 链 结点关系 结点关系 弧段号弧段号 左多边形左多边形 右多边形右多边形 起点起点终点终点 AP1P225 面文件 面文件 面号面号弧段号弧段号 P1A B C 点拓扑文件 点拓扑文件 结点结点 链关系链关系 点号点号 弧段号弧段号 2A B D 注注 在拓扑结构中 多边形 面 的边界被分割成一系列的线 弧 链 边 和点 结点 等拓扑要素 点 线 面之间的拓扑关系在 属性表中定义 多边形边界不重复 道格拉斯道格拉斯 普克法 又称分裂法 普克法 又称分裂法 该算法实现的基本思路是 对每一条曲线的首末点虚连一条直线 求其它所有点与该直线的距离 并找出其中的最大距离值 dmax 用 dmax 与限差 相比 若 dmax 这条曲线上的中间点全部舍去 若 dmax 保留 dmax 对应的坐标点 并以该点为界 把曲线 分为两部分 对这两部分曲线重复上述操作 直至整条曲线处理结 束 特点 压缩效果好 但必须在对整条曲线数字化完成后才能进 行 且计算量较大 垂距法的基本思路是 垂距法的基本思路是 每次顺序取曲线上的三个点 计算中间点与 其它两点连线的垂线距离 di 并与限差 比较 若 di 则中间 点去掉 若 di 则中间点保留 然后顺序取下三个点继续处理 直到这条线结束 间隔取点法间隔取点法的基本思路是 每隔 n 个点取一点 或每隔一规定的距 离取一点 但首末点一定要保留 例如对一曲线每隔一个点 n 1 取一点进行压缩 其过程和结果如下图所示 空间插值空间插值 通过已知点或分区的数据 推求任意点或分区数据的方 法称为空间数据的内插 边界内插边界内插 使用边界内插法时 首先要假定任何重要的变化都发生 在区域的边界上 边界内的变化则是均匀的 同质的 边界内插的 方法之一是泰森多边形法 泰森多边形法的基本原理是 未知点的最 佳值由最邻近的观测值产生 这种插值方法主要应用于地质 土 壤 植被或土地利用现状等领域的等值区域图或专题地图的处理 局部内插法局部内插法 在 GIS 中 实际的连续空间表面很难用一种数学多项 式来描述 因此 往往使用局部内插技术 即利用局部范围内的已 知采样点的数据内插出未知点的数据 常用的有线性内插 双线性 多项式内插 双三次多项式 样条函数 内插 空间数据库的概念空间数据库的概念 地理信息系统的数据库 简称空间数据库或地理数据库 是某一区 域内关于一定地理要素特征的数据集合 是地理信息系统在计算机 物理存储介质存储的与应用相关的地理空间数据的总和 一般是以 一系列特定结构的文件的形式组织在存储介质之上的 空间数据的基本特征 空间数据的基本特征 空间性 多尺度与多态性 多时空性 抽象 性 非结构化特征 海量数据特征 空间数据库与一般数据库相比 具有以下特点 空间数据库与一般数据库相比 具有以下特点 1 数据量特别大 2 数据内容包括空间数据 属性数据以及二者之间的关系 3 数据应用广泛 矢量数据管理矢量数据管理 空间数据管理方式与数据库发展是密不可分的 按照发展的过程 对矢量数据的管理有 基于文件管理的方式 文 件与关系数据库混合管理系统 全关系型空间数据库管理系统 对 象 关系数据库管理系统 栅格数据的管理栅格数据的管理 栅格影像数据 不仅包含了属性信息 还包含了 隐藏的空间位置信息 格网行 列信息 即隐含着属性数据与空间 位置数据之间的关联关系 对栅格数据的管理有 基于文件管理的方式 文件 结合关系数据库管理 完全基于关系数据库管理 目前空间数据库引擎主要有两种方式 目前空间数据库引擎主要有两种方式 中间件方式 数据库本身扩 展 空间数据库引擎空间数据库引擎 1 Oracle Spatial 只是在原来的数据库模型上进行了空间数据 模型的扩展 实现的是 点 线 面 等简单要素的存储和检索 它 不能存储数据之间复杂的拓扑关系 也不能建立一个空间几何网络 2 ArcSDE 是 ArcGIS 与关系数据库之间的 GIS 通道 它允许用 户在多种数据库管理系统中管理地理信息 并使所有的 ArcGIS 应用 程序都能够使用这些数据 空间索引 空间索引 指根据空间对象的位置和形状或空间对象之间的某种空间关系按 一定的顺序排列的一种数据结构 其中包括空间对象的概要信息 如对象的标识 外接矩形及指向空间对象实体的指针 作为一种辅助性的空间数据结构 空间索引介于空间操作算法 和空间对象之间 它通过筛选作用 大量与特定空间操作无关的空 间对象被排除 从而提高空间操作的速度和效率 目前 常见空间索引方法有对象范围索引 格网索引 四叉树空 间索引 R 树 R 树空间索引 空间数据库查询语言 扩展空间数据库查询语言 扩展 SQL 空间数据查询语言是通过对标 准 SQL 的扩展来形成的 即在数据库查询语言上加入空间关系查询 为此需要增加空间数据类型 如点 线 面等 和空间操作算子 如求长度 面积 叠加等 在给定查询条件时也需含有空间概念 如距离 邻近 叠加等 空间定位查询空间定位查询 按点查询 按规则图形查询 按多边形查询 空间属性查询 空间属性查询 查找 SQL 查询 扩展 SQL 查询 空间关系查询空间关系查询 相邻分析检索 通过检索拓扑关系 相关分析检索 包含关系查询 缓冲区查询 GIS 的数据源 的数据源 按照获取方式 地图数据 遥感数据 实测数据 共享数据 按照表现方式 数字化数据 多媒体数据 文本数据 统计数据 数据采集任务 数据采集任务 a 将现有的地图 外业观测成果 航空像片 遥感 图片数据 文本资料等转换成 GIS 可以接受的数字形式 b 数据库入库之前进行验证 修改 编辑等处理 保证数据在内容 和逻辑上的一致性 c 不同的数据来源要用到不同的设备和方法 d 数据的转换装载 e 数据处理 几何纠正 图幅拼接 拓扑生成 等 空间数据的采集 野外采集 平板测量 全野外数字测图 空间 定位测量 室内采集 数字化设备 数字化仪 扫描仪 摄影测量设备 特点 范围大 速度快 使用范围 大面积 GIS 数据采集 资源普查等 GIS 数据质量的基本内容 数据质量的基本内容 位置 几何 精度 如数学基础 平面精度 高程精度等 用以描 述 几何数据的误差 2 属性精度 如要素分类的正确性 属性编码的正确性 注记的正 确性 等 用以反映属性数据的质量 3 逻辑一致性 如多边形的闭合精度 结点匹配精度 拓扑关系的 正确 性等 由几何或属性误差也会引起逻辑误差 4 完备性 如数据分类的完备性 实体类型的完备性 属性数据的 完备 性 注记的完整性 数据层完整性 检验完整性等 5 现势性 如数据的采集时间 数据的更新时间等 空间查询 空间查询 在空间数据库中检索出满足给定条件或位置的空间对象 或属性特征的一种操作 流程 查询内容 数据库 连接与处理 结果输出 方式 定位查询 条件查询 内容 空间位置 空间关系 空间分布 属性特征 几何特征 结果 高亮显示 列表输出 统计图表 数据集 空间分析 空间分析 是从空间数据中获取有关地理对象的空间位置 分布 形态 形成和演变等信息的分析技术 是地理信息系统的核心功能 之一 它特有的对地理信息的提取 表现和传输的功能 是地理信 息系统区别于一般管理信息系统的主要功能特征 空间分析 传统的叠置分析方法 透图法空间分析 传统的叠置分析方法 透图法 叠置分析 叠置分析 是将同一地区的两组或两组以上的要素 地图 进行叠 置 产生新的特征 新的空间图形或空间位置上的新属性的过程 的分析方法 点与多边形的叠置点与多边形的叠置 点层与面层的叠置核心算法为判断点是否在多 边形内 线与多边形的叠置线与多边形的叠置 线与多边形的叠置是把一幅图 或一个 数据层 中的多边形的特征加到另一幅图 或另一个数据层 的线上 线与多边形叠置的算法就是线的多边形裁剪 多边形与多边形的叠置多边形与多边形的叠置 对原始数据 多边形 形成拓扑关系 多层多边形数据的空间叠置 形成新层 对新层中的多边形重建拓扑 删除多余多边形 或处理 意义多边形 提取感兴趣的部分 栅格数据的叠置分析 栅格数据的叠置分析 空间逻辑运算 数学运算复合法 矢量数据的叠置分析和栅格数据的叠置分析矢量数据的叠